Указания по проектированию морских сооружений и строительству искусственных грунтовых островов

УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ИСКУССТВЕННЫХ ГРУНТОВЫХ ОСТРОВОВ

При проектировании и строительстве гидротехнических сооружений для арктических шельфов должен учитываться большой комплекс факторов, характеризующих естественные условия. Сюда относятся гидрологические, метеорологические, гидрографические, геологические, геоморфологические и другие условия. Каждый район шельфа характеризуется определенными природными условиями, весь комплекс которых составляет естественный режим района.

Гидрологические условия. Такие условия включают следующие факторы:

- морское волнение;

- ледовый режим;

- колебания уровней вследствие метеорологических условий (нагоны, сгоны, сейши);

- приливо-отливные явления;

- морские течения;

- цунами - сейсмические морские волны;

- вековые изменения уровней и др.

Гидрологические условия кардинальным образом влияют на деятельность человечества по освоению морей и океанов, и в том числе, полярных шельфов. Все стороны такой деятельности, прежде всего, связаны с морским волнением, которое характеризуется высотами, длинами, периодами волн и другими характеристиками. Строительно-монтажные работы на шельфах могут производиться при относительно спокойном состоянии моря.

Большинство морских работ могут производиться при волнении до 2 баллов (высоты волн до 0,75 м), как например: установка платформ на морское дно, монтажные работы с помощью плавучих кранов, водолазные работы и др. При волнении до 4 баллов (высоты волн до 2 м), например, может производиться отсыпка материалов (песок, гравий, камень) в постели с плавучих средств достаточного водоизмещения.

Ледовый режим также кардинальным образом влияет на освоение шельфов и гидротехническое строительство сооружений арктических шельфов. Здесь важны такие параметры как продолжительность ледового покрова, толщины однолетних и многолетних паковых льдов, высоты торосов, площади ледяных полей, наличие айсбергов и др. В связи с ледовыми условиями существенно сокращается продолжительность времени строительно-монтажных работ. Обычно доставка конструкций, материалов, технологических запасов и др. осуществляется только в летнее время при чистой воде в течение 90…120 дней в году.

Гидрографические условия. Сюда в первую очередь относятся глубины и рельеф дна. Шельфовые сооружения возводятся в большом диапазоне глубин. Например, в заливе Кука (Аляска) стационарные платформы возведены на глубинах до 40 м, а в Мексиканском заливе (незамерзающем), отдельные платформы установлены на глубинах свыше 300 м. С ходом времени, по мере развития техники, сооружения возводятся на все больших глубинах, при этом увеличиваются размерения сооружений и их массы.

Геологические и геоморфологические условия. Здесь, прежде всего, имеют значение: геологическое строение дна и свойства горных пород; изменяемость формы дна и движение наносов; возможные тектонические явления. Геологические условия непосредственно влияют на выбор конструкций сооружений. Нередко в районах освоения шельфов дно представлено верхним слоем илистых грунтов.

Метеорологические условия. Сюда относятся: ветровой режим (скорости, направления и продолжительности ветров), температура воздуха, осадки, туманы. Эти факторы также в сильной мере влияют на деятельность человека по освоению шельфов и не только на строительство сооружений, но и их эксплуатацию. Для арктических шельфовых зон характерны сильные ветры и низкие отрицательные температуры воздуха.

Строительные материалы в конструкциях сооружений

Материалы в конструкциях сооружений полярного шельфа подвергаются агрессивному воздействию морской среды, особенно разрушительному в зоне переменного уровня воды. Материалы подвергаются воздействию соленой морской воды, низких температур, льда, попеременным замораживанию и оттаиванию, смачиванию и осушке.

Конструкции платформ в условиях полярных шельфов эксплуатируются при низких температурах воздуха, значительных температурных перепадах, при воздействии льда и, в целом, в условиях агрессивной морской среды. Это отражается на выборе строительных материалов для сооружений и, в том числе, на выборе марок сталей. Деформационные свойства сталей, их пределы прочности и текучести изменяются в зависимости от температур. Требуются достаточно пластические стали. С понижением температуры сталь становится более хрупкой. Применение сталей разных марок ограничивается предельными низкими температурами.

Предел хладоломкости является характерным показателем свойств сталей. Он характеризует хрупкое разрушение сталей при низких отрицательных температурах и зависит от химического состава сталей (отрицательно влияют, например, сера, фосфор, азот и др.), технологии обработки стальных конструкций и др. Хрупкое разрушение сварных узлов стальных конструкций связано с низкими температурами, толщинами стальных элементов, их обработкой и напряженным состоянием.

За рубежом для платформ на арктическом шельфе применяются легированные стали с достаточными пластическими свойствами при низких температурах. Первые платформы для полярного шельфа были построены в Японии по заказам фирм США и Канады. Именно в Японии за короткое время были созданы морозостойкие стали и разработана технология их обработки и сварки. Новые сорта стали имеют пределы прочности 785 МПа (7850 кг/см) и характеризуются высокой вязкостью при температурах до -76 °С.

Для строительства сооружений в арктических районах создаются новые сорта сталей с достаточной пластичностью и высокой прочностью при низких температурах. Создаются новые машины и оборудование для работы в условиях низких температур.

Железобетон, в том числе предварительно напряженный, широко применяется в гидротехнических сооружениях полярного шельфа, как например, в конструкциях стационарных платформ, искусственных островов. Имеется уже значительный опыт эксплуатации таких сооружений. Требуется дальнейшее изучение работы железобетона и совершенствование железобетонных конструкций с целью их более широкого применения. Некоторые из основных направлений дальнейших исследований следующие:

- долговечность железобетона в условиях низких температур, попеременного замораживания и оттаивания, больших температурных перепадов;

- работа массивных и тонкостенных железобетонных конструкций при различных напряженных состояниях, имеющих место в реальных условиях эксплуатации сооружений;